化工設(shè)備壓力容器破壞及預(yù)防措施

李海峰

摘要：壓力容器的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但在使用過程中，常會(huì)由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理、制造質(zhì)量不良、使用維護(hù)不當(dāng)或其它原因而發(fā)生早期失效，導(dǎo)致容器破裂而發(fā)生事故。

關(guān)鍵詞：壓力容器；破壞機(jī)理；脆性破壞；屈服失效

1、壓力容器韌性破裂

1.1韌性破裂的機(jī)理

金屬材料的韌性斷裂是顯微空洞形成和長(zhǎng)大的過程。金屬材料特別是塑性較好的碳鋼及低合金鋼在發(fā)生韌性斷裂時(shí)總是先發(fā)生大量的塑性變形。斷裂首先是在塑性變形嚴(yán)重的地方形成顯微空洞（微孔）。夾雜物是顯微空洞成核的位置。在拉力作用下，大量的塑性變形使脆性?shī)A雜物斷裂，或使夾雜物與基體界面脫開而形成空洞。空洞一經(jīng)形成，即開始長(zhǎng)大和聚集，聚集的結(jié)果是形成裂紋，最后導(dǎo)致斷裂。壓力容器在韌性破裂前先產(chǎn)生大量的容積變形，這種現(xiàn)象對(duì)防止某些容器發(fā)生破裂事故也是有利的。例如，液化氣體的氣瓶會(huì)由于器內(nèi)介質(zhì)溫度增加使壓力急劇升高，容積的大量變形則有利于緩解容器內(nèi)壓力的激增，有時(shí)還會(huì)避免容器的破裂。對(duì)與一些器壁因嚴(yán)重腐蝕而減薄了的氣瓶或其它容器，有時(shí)也會(huì)在沖裝氣體或進(jìn)行耐壓試驗(yàn)過程中因壓力表突然停止不動(dòng)而被發(fā)現(xiàn)。

1.2壓力容器韌性破裂的預(yù)防方法

正確設(shè)計(jì)和規(guī)范操作壓力容器，設(shè)置超壓泄放裝置，并正確選用和維護(hù)，以及保護(hù)設(shè)備完好狀態(tài)是預(yù)防壓力容器發(fā)生韌性破裂的重要措施。

2、壓力容器脆性破裂

對(duì)壓力容器脆性破裂進(jìn)行探討。

2.1脆性破裂的機(jī)理

發(fā)生脆性破裂的破壞事故的必須條件有四個(gè)：一是，壓力容器本身結(jié)構(gòu)中存在著殘余應(yīng)力；二是，壓力容器和其焊接的接頭中有應(yīng)力集中；三是，材料韌性較差；四是，在壓力容器的制造過程中有不符合設(shè)計(jì)的冷加工變形。大部分化肥、化工、煉油用的低溫壓力容器所受的載荷基本是屬于靜載荷范圍，而制造這些容器所選用的鋼材為具有體心立方晶格的鐵素體鋼。其斷裂機(jī)理有剪切斷裂和解理斷裂兩種。

2.2脆性破裂的預(yù)防

在容器的設(shè)計(jì)和制造方面減少容器結(jié)構(gòu)及焊縫處應(yīng)力集中；制造容器的材料在使用條件下要有較好的韌性；消除殘余應(yīng)力；加強(qiáng)對(duì)容器的檢驗(yàn)在使用和管理方面防止容器的使用溫度低于它的設(shè)計(jì)溫度，因?yàn)榻饘俨牧系臄嗔秧g性隨著溫度的降低而降低；開停容器時(shí)要防止壓力或溫度的急劇變化，因?yàn)榻饘俨牧系臄嗔秧g性會(huì)因加載速度過大而降低，運(yùn)行中容器在溫度突變的情況下發(fā)生脆性破裂的亦有先例。

3、壓力容器的疲勞破裂

針對(duì)壓力容器的疲勞破裂兩個(gè)階段進(jìn)行論述。

3.1疲勞破裂的機(jī)理

疲勞破裂按機(jī)理分為低循環(huán)疲勞（低周疲勞）和低應(yīng)力高循環(huán)疲勞（高周疲勞）。疲勞裂紋的擴(kuò)展也可以分為兩個(gè)階段。第一階段，壓力容器的裂紋通常是從金屬表面上的駐留滑移帶或非金屬夾雜物等處開始，沿最大切應(yīng)力方向（和主應(yīng)力方向近似45°）的晶面向內(nèi)擴(kuò)展，由于各晶粒的位向不同以及晶界的阻礙作用，裂紋的方向逐漸轉(zhuǎn)向和主應(yīng)力垂直，這一階段的擴(kuò)展速度是很慢的。裂紋擴(kuò)展方向和主應(yīng)力方向相垂直的一段為擴(kuò)展的第二階段，這一階段擴(kuò)展的途徑是穿晶的，擴(kuò)展的速率也較快。

3.2疲勞破裂的原因和特征

容器承受交變循環(huán)載荷、過高的局部應(yīng)力；高強(qiáng)度低合金鋼的廣泛應(yīng)用和特厚材料的應(yīng)用增加，材料本身和焊縫處往往較容易形成各種缺陷。疲勞破裂的特征為容器破壞時(shí)無(wú)明顯的塑性變形；疲勞斷裂的斷口形貌與脆性斷裂不同由斷口宏觀分析可見，疲勞裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展和最后斷裂區(qū)域各具特色，前二者比較光滑，后者比較粗糙。；從產(chǎn)生開裂的部位來(lái)看，一般都是在結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力較高或存在材料缺陷處（包括焊縫及其熱影響區(qū)）的地區(qū)，疲勞裂紋穿透器壁，也稱為“未爆先漏”，尤其是在容器壁的接管處極為常見。從裂紋的形狀、擴(kuò)展直到最后斷裂，發(fā)展緩慢，不像脆性破裂那么迅速，而且破成許多碎片，疲勞破裂只是一般的開裂，出現(xiàn)初始裂紋源，使容器泄露而失效；疲勞破裂通常是在操作溫度、壓力大幅度波動(dòng)且頻繁啟動(dòng)、停車的情況下發(fā)生的。

3.3疲勞破裂的預(yù)防

針對(duì)以上疲勞破裂的發(fā)生原因，預(yù)防疲勞破裂的關(guān)鍵首先是應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行容器的制造和檢驗(yàn)，減少附加的應(yīng)力集中，避免焊接或安裝過程中的先天或后天性裂紋或缺陷；其次，減少頻繁開停車、壓力或溫度波動(dòng)、外加強(qiáng)迫振動(dòng)、周期性外載荷等，維持設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，以抑制或延緩裂紋擴(kuò)展破裂。對(duì)于新設(shè)計(jì)的容器，則通過選擇塑性應(yīng)變能力好的抗疲勞材料，設(shè)計(jì)時(shí)采用不會(huì)造成局部高應(yīng)力集中地抗疲勞結(jié)構(gòu)；按照容器分析設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行疲勞分析或基于斷裂力學(xué)的抗疲勞斷裂設(shè)計(jì)方法等。

4、壓力容器的腐蝕破裂

針對(duì)壓力容器最常見的腐蝕破裂進(jìn)行描述。

4.1腐蝕破裂發(fā)生原因

高溫、易產(chǎn)生局部過熱區(qū)、處理CO、CO2烴類介質(zhì)的設(shè)備，易發(fā)生滲碳腐蝕；高壓、水分多、露點(diǎn)高條件下的合金材料易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕；氫與硫共存、腐蝕條件惡劣，易發(fā)生硫化氫引起的應(yīng)力腐蝕；高溫、高壓、碳含量高的鐵碳合金設(shè)備，易發(fā)生氫脆；高溫氯化物溶液下的奧氏體不銹鋼設(shè)備，較高的冷作殘余應(yīng)力及振動(dòng)應(yīng)力、高溫、高壓的氯化物水溶液是發(fā)生氯離子引起的奧氏不銹鋼應(yīng)力腐蝕破裂的必要條件；CO、CO2或CO+CO2+H2O或CO+CO2+N2混合氣體中加水，均會(huì)引起應(yīng)力腐蝕。

4.2腐蝕破裂特征

腐蝕破裂的主要特征有：滲碳腐蝕的不銹鋼金屬表面呈孔蝕狀，且在焊接部分和熱影響區(qū)腐蝕特別嚴(yán)重；由氫脆而破裂的容器的金屬表面及斷口上有鼓泡現(xiàn)象；發(fā)生堿脆斷裂的容器，其斷口與主拉應(yīng)力方向基本上垂直，且粘附有磁性氧化鐵物質(zhì)；發(fā)生硫化氫腐蝕容器的器壁上有一層銀灰色、多孔、松散的易剝落層，這就是腐蝕生成的———硫化鐵；發(fā)生氯脆的設(shè)備表面有腐蝕坑存在，其裂紋通常是穿晶型的，并且?guī)Х种?，類似于河流花樣形狀?/p>

5、結(jié)束語(yǔ)

總之，引起壓力容器破裂的原因是多方面的，包括操作、設(shè)計(jì)、制造和維修等。通過對(duì)容器各種破裂形式的內(nèi)在機(jī)理和外部特征的了解，探究誘發(fā)該種形式破裂的原因，針對(duì)性地提出預(yù)防事故發(fā)生的措施。

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（作者單位：大唐阜新能源化工工程有限公司）